水素エネルギー生産技術の革新、普及、応用 - アリーハイテックの事例研究
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編集者注：この記事は元々WeChat公式アカウント「China Thinktank」で公開されたものです。
3月23日、中国国家発展改革委員会と国家エネルギー局は共同で「水素エネルギー産業発展中長期計画（2021～2035年）」（以下、「計画」）を公布した。この計画では、水素のエネルギー特性を明確に定義し、水素エネルギーを将来の国家エネルギーシステムの不可欠な構成要素と戦略的新産業の重要な方向性とすることを提唱した。燃料電池自動車は、中国における水素エネルギー応用の主導分野であり、産業発展の突破口となる。
2021年、国家の燃料電池自動車の実証応用政策の推進により、北京、天津、河北、上海、広東、河北、河南の5つの都市圏が順次立ち上げられ、1万台の燃料電池自動車の大規模な実証応用が開始され、燃料電池自動車の実証応用を牽引する水素エネルギー産業の発展が実践されてきました。
同時に、鉄鋼、化学工業、建設業など、運輸以外の分野における水素エネルギーの応用と探究においても大きな進展が見られました。将来的には、水素エネルギーの多様化と多様なシナリオへの応用が、水素の大きな需要をもたらすでしょう。中国水素エネルギー連盟の予測によると、2030年までに中国の水素需要は3,500万トンに達し、水素エネルギーは中国の末端エネルギーシステムの少なくとも5%を占めるようになります。2050年までに、水素需要は6,000万トン近くに達し、水素エネルギーは中国の末端エネルギーシステムの10%以上を占め、産業チェーンの年間生産額は12兆元に達すると予想されています。
産業発展の観点から見ると、中国の水素エネルギー産業は依然として発展の初期段階にあります。水素エネルギーの応用、実証、普及の過程において、エネルギー源となる水素の供給不足と高コストは、常に中国の水素エネルギー産業の発展を制約する困難な問題となっています。水素供給の中核を担う自動車用水素は、工場出荷価格の高さと貯蔵・輸送コストの高さという問題が依然として顕著です。
そのため、中国は低コストの水素製造技術の革新、普及、応用を早急に加速し、水素エネルギーの供給コストを削減することで実証応用の経済性を高め、燃料電池車の大規模な実証応用を支援し、ひいては水素エネルギー産業全体の発展を推進する必要がある。
水素の高価格が中国の水素エネルギー産業の発展における大きな問題となっている
中国は水素生産大国です。水素生産は石油化学、化学、コークスなどの産業に分散しており、生産された水素の大部分は石油精製、合成アンモニア、メタノールなどの化学製品の中間製品として使用されています。中国水素エネルギー連盟の統計によると、現在中国の水素生産量は約3,300万トンで、主に石炭、天然ガスなどの化石エネルギーと産業副生ガスの精製によるものです。そのうち、石炭からの水素生産量は2,134万トンで、63.5%を占めています。次いで産業副生水素と天然ガス水素生産が続き、それぞれ708万トンと460万トンの生産量となっています。水電解による水素生産量は比較的少なく、約50万トンです。
工業用水素生産プロセスは成熟し、産業チェーンは整備され、入手も比較的容易であるにもかかわらず、エネルギー用水素の供給は依然として大きな課題に直面している。水素生産における原料コストと輸送コストの高騰は、水素の末端供給価格の高騰につながる。水素エネルギー技術の大規模普及・応用を実現するには、水素の入手コストと輸送コストの高さというボトルネックを打破することが鍵となる。既存の水素製造方法の中で、石炭水素製造はコストが低いものの、炭素排出量が高い。また、大規模産業における水電解水素製造のエネルギー消費コストは高い。
低電力でも水素製造コストは20元/kg以上である。再生可能エネルギーの廃電源から水素を製造し、低コストで低炭素排出レベルを実現することは、将来的に水素を得るための重要な方向である。現在、技術は徐々に成熟しているが、入手場所が比較的遠く、輸送コストが非常に高く、普及・応用のシナリオが存在しない。水素コスト構成の観点から見ると、エネルギー水素価格の30～45％は水素輸送・充填コストである。高圧ガス水素をベースとした既存の水素輸送技術は、車両一台あたりの輸送量が少なく、長距離輸送の経済価値が低く、固体貯蔵・輸送や液体水素の技術も成熟していない。そのため、水素ステーションにおけるガス水素のアウトソーシングが依然として主流となっている。
現行の管理規格では、水素は依然として危険化学物質管理の対象となっています。大規模な工業用水素生産は化学工業団地への進出が必要です。しかし、大規模な水素生産は分散型車両の水素需要に追いつかず、水素価格の高騰を招いています。この状況を打開するには、高度に統合された水素製造・充填技術の確立が急務です。天然ガスによる水素生産は価格水準が妥当であり、大規模かつ安定した供給を実現できます。そのため、天然ガスが比較的豊富な地域では、天然ガスを基盤とした統合型水素製造・充填ステーションは実現可能な水素供給オプションであり、水素充填ステーションの普及を促進し、コスト削減と一部地域における充填の難題解決に向けた現実的な道筋となります。現在、世界には約237のスキッドマウント型統合型水素製造ステーションがあり、海外の水素充填ステーション総数の約3分の1を占めています。その中でも、日本、欧州、北米などの地域では、ステーション内で統合型水素製造・充填ステーションの運用形態が広く採用されています。国内の状況を見ると、仏山、濰坊、大同、張家口などが水素製造・充填一体型ステーションの試験的な建設と運営の検討を始めています。水素管理と水素生産に関する政策・規制の突破口が開かれれば、水素製造・充填一体型ステーションは、水素ステーションの商業運営における現実的な選択肢となることが予測されます。
アリーハイテックの水素製造技術の革新、普及、応用における経験
中国における水素製造分野のリーディングカンパニーとして、アリーハイテクは設立以来20年以上にわたり、新エネルギーソリューションと先進的な水素製造技術の研究開発に注力してきました。小規模天然ガス水素製造技術、触媒酸化メタノール水素製造技術、高温水電解水素製造技術、アンモニア分解水素製造技術、小規模合成アンモニア技術、大型モノマーメタノールコンバーター、水素製造・水素化統合システム、車両用水素指向性精製技術など、先端技術分野において多くの画期的な成果を上げてきました。
水素製造における技術革新を継続的に推進します。
アリーハイテックは、水素製造を事業の中核と位置づけ、メタノール変換、天然ガス改質、PSA法による水素の方向性精製など、水素製造分野における技術革新を継続的に推進しています。中でも、同社が自主開発・設計したメタノール変換水素製造設備1セットは、水素製造能力20,000 Nm³/hを有し、最大圧力は3.3Mpaに達し、国際先進レベルに達しています。また、低エネルギー消費、安全性と信頼性、プロセス簡略化、無人化などの優位性を有し、天然ガス改質法（SMR法）による水素製造技術において画期的な進歩を遂げています。
熱交換改質技術を採用し、単機の水素生産能力は最大30000Nm³/hに達します。最高圧力は3.0MPaに達し、投資コストを大幅に削減し、天然ガスのエネルギー消費量を33%削減します。圧力スイング吸着（PSA）水素方向性精製技術に関しては、当社は様々な水素精製技術セットを開発しており、単機の水素生産能力は100000Nm³/hです。最高圧力は5.0MPaです。自動化度が高く、操作が簡単で、環境に優しく、耐用年数が長いなどの特徴があり、工業用ガス分離分野で広く使用されています。
図1：アリーハイテックの水素製造設備
水素エネルギーシリーズ製品の開発・普及に注力。
アリーハイテックは、水素製造技術の革新と製品開発を進めるとともに、下流の水素燃料電池分野における製品開発の拡大にも注力し、触媒、吸着剤、制御弁、モジュール式小型水素製造装置、長寿命燃料電池電源システムの研究開発と応用を積極的に推進し、水素製造・水素化一体型ステーションの技術と設備を積極的に推進しています。製品推進の面では、アリーハイテックのエンジニアリング設計の専門資格は包括的であり、ワンストップの水素エネルギーソリューション製品とサービスの提供に尽力し、製品の市場応用を迅速に推進しています。
水素製造装置の応用において画期的な進歩がありました。
現在、アリーハイテクは620セット以上の水素製造・精製設備を建設しており、そのうちメタノール水素製造設備300セット以上、天然ガス水素製造設備100セット以上、大型PSAプロジェクト設備130セット以上の導入を推進し、国家レベルの話題となる水素製造プロジェクトを数多く手掛けています。
アリーハイテクは、中国石油化工（シノペック）、中国石油天然ガス（ペトロチャイナ）、中泰化工、アメリカのプラグパワー社、フランスのエア・リキッド社、ドイツのリンデ社、アメリカのプラクスエア社、日本の岩谷産業、BPなど、国内外の有名企業と提携しており、世界でも中小型水素製造設備の分野で供給量が最も多い設備サービスプロバイダーの一つです。現在、アリーハイテクの水素製造設備は、アメリカ、日本、韓国、インド、マレーシア、フィリピン、パキスタン、ミャンマー、タイ、南アフリカなど16の国と地域に輸出されています。2019年には、アリーハイテクの第3世代統合型天然ガス水素製造設備がアメリカのプラグパワー社に輸出されました。この設備はアメリカの基準に完全準拠して設計・製造されており、中国の天然ガス水素製造設備がアメリカに輸出される前例となっています。
図2. アライハイテックが米国に輸出した水素製造・水素化統合装置
水素製造・水素化統合ステーションの第1バッチを建設。
エネルギー源としての水素の不安定な供給源と高価格といった実務上の問題を踏まえ、アリーハイテックは高度に統合された水素製造技術の応用を推進し、既存の成熟したメタノール供給システム、天然ガスパイプライン網、CNGおよびLNG充填ステーションを活用し、統合型水素製造・充填ステーションの再構築と拡張に取り組んでいます。2021年9月、アリーハイテックが一括請負契約を締結した国内初の統合型天然ガス水素製造・水素化ステーションが、仏山ガス南荘水素化ステーションで稼働を開始しました。
当ステーションは、1000kg/日の天然ガス改質水素製造ユニット1台と100kg/日の水電解水素製造ユニット1台を併設し、外部水素化能力は1000kg/日です。典型的な「水素製造＋圧縮＋貯蔵＋充填」一体型水素化ステーションです。業界をリードする環境に優しい広域温度変化触媒と方向性共精製技術を採用し、水素製造効率を3%向上させ、水素製造におけるエネルギー消費を効果的に削減します。当ステーションは、高集積化、省スペース、高集積の水素製造設備を備えています。
ステーション内での水素製造は、水素輸送網の削減と水素貯蔵・輸送コストの削減につながり、ひいては水素消費コストの削減に直接つながります。ステーションには外部インターフェースが確保されており、長尺チューブトレーラーを積載して親ステーションとして機能し、周辺の水素化ステーションに水素源を提供することで、地域水素化サブ親統合ステーションを形成します。さらに、この水素製造・水素化統合ステーションは、既存のメタノール供給システム、天然ガスパイプライン網などの施設、ガソリンスタンド、CNG・LNG充填ステーションなどを基盤として、改築・拡張も可能であり、導入・推進が容易です。
図3 広東省仏山市南荘の統合型水素製造・水素化ステーション
業界の革新、推進、応用、国際交流、協力を積極的に主導します。
アリーハイテクは、国家トーチ計画の重点ハイテク企業、四川省のニューエコノミーモデル企業、四川省の専門特化型新興企業として、積極的に産業革新をリードし、国際交流・協力を推進しています。2005年以来、アリーハイテクは上海安亭水素ステーション、北京オリンピック水素ステーション、上海万博水素ステーションなど、国家863の主要燃料電池プロジェクトに水素製造技術と設備を相次いで提供し、中国宇宙発射センターの各水素製造ステーションプロジェクトにも高水準の技術を提供してきました。
アリーハイテクは、国家水素エネルギー標準化委員会のメンバーとして、国内外の水素エネルギー標準システムの構築に積極的に参加し、1つの国家水素エネルギー標準の起草を主導し、7つの国家標準と1つの国際標準の制定に参加しました。同時に、アリーハイテクは国際交流と協力を積極的に推進し、日本に成川科技株式会社を設立し、新世代の水素製造技術、SOFCコジェネレーション技術と関連製品を開発し、米国、ドイツ、日本の企業と新型水電解水素製造技術、小規模合成アンモニア技術の分野で協力を展開しました。アリーハイテクは、中国、米国、欧州連合の45件の特許を保有し、典型的な技術立国型・輸出志向型企業です。
政策提言
以上の分析によると、アリーハイテクは水素製造技術の革新を基盤として、水素製造設備の開発、水素製造設備の普及と応用、水素製造・充填一体型ステーションの建設と運営において大きな進展を遂げており、これは中国の水素エネルギーの自主技術革新と水素エネルギー消費コストの低減にとって重要な意義を持つ。水素エネルギーの供給を確保・向上させ、安全で安定的かつ効率的な水素エネルギー供給ネットワークの構築を加速し、クリーンで低炭素、低コストの多角化水素生産システムを構築するために、中国は水素製造技術の革新と製品開発を強化し、政策や法規制の制約を打破し、市場性のある新型設備やモデルの先行導入を奨励する必要がある。支援政策のさらなる改善と産業環境の最適化を通じて、中国の水素エネルギー産業の質の高い発展を支援し、エネルギーのグリーン化を力強くサポートしていく。
水素エネルギー産業の政策システムを改善する。
現在、「水素エネルギー産業の戦略的位置づけと支援政策」は公布されているものの、水素エネルギー産業の具体的な発展方向は未だ明確化されていない。産業発展における制度的障害と政策上のボトルネックを打破するため、中国は政策革新を強化し、完璧な水素エネルギー管理規範を策定し、調製、貯蔵、輸送、充填といった管理プロセスと管理体制を明確にし、安全監督管理主管部門の責任を履行する必要がある。実証応用が産業発展を牽引するモデルを堅持し、輸送、エネルギー貯蔵、分散型エネルギーなど、水素エネルギーの多様な実証開発を全面的に推進する必要がある。
地域の実情に合わせた水素エネルギー供給システムを構築します。
地方政府は、地域内の水素エネルギー供給能力、産業基盤、市場空間を総合的に考慮し、既存および潜在的資源の優位性を踏まえ、地域の状況に応じて適切な水素製造方法を選択し、水素エネルギー供給保障能力の構築を推進し、産業副産物水素の優先利用を図り、再生可能エネルギーによる水素製造の発展に注力すべきである。条件を満たす地域が多様なルートを通じて協力し、低炭素、安全、安定的、かつ経済的な地域水素エネルギー供給システムを構築し、大規模水素源の供給需要を満たすことを奨励する。
水素製造装置の技術革新を推進する。
水素精製・水素製造の基幹設備の研究開発、製造、産業応用を重点的に推進し、産業チェーンの優位企業を基盤として、水素エネルギー設備製品の高品質な開発技術体系を構築する。水素製造分野のリーディングカンパニーが主導権を握ることを支援し、産業イノベーションセンター、工学研究センター、技術イノベーションセンター、製造イノベーションセンターなどのイノベーションプラットフォームを構築し、水素製造設備の重要課題に取り組む。「特化型・特新型」中小企業が水素製造設備の共通技術研究開発に参画することを支援し、コア技術の自主性が強い単独のチャンピオン企業を育成する。
統合型水素製造・水素化ステーションに対する政策支援を強化する。
計画では、ステーション内で水素の製造、貯蔵、水素化を一体化した水素ステーションなどの新たなモデルを模索するためには、一体型ステーション建設に対する政策的制約を根本から打破する必要があると指摘している。国家エネルギー法を速やかに導入し、水素のエネルギー特性を上位から規定する。一体型ステーション建設に対する制約を打破し、一体型水素製造・水素化ステーションを推進するとともに、天然ガス資源が豊富な経済発展地域において、一体型ステーションの建設と運営の実証実験を実施する。価格経済性と炭素排出基準の要件を満たす一体型ステーションの建設と運営に財政支援を提供し、関連するリーディングカンパニーが国家の「特化型・特新型」企業への申請を支援するとともに、一体型水素製造・水素化ステーションの安全技術規格と基準を向上させる。
新たなビジネスモデルの実証・プロモーションを積極的に実施します。
水素製造ステーションの統合、石油・水素・電気の総合エネルギー供給ステーション、「水素・車・ステーション」の連携運営といったビジネスモデルの革新を奨励する。燃料電池車の普及率が高く、水素供給への圧力が高い地域では、天然ガスからの水素製造・水素化統合ステーションを模索し、天然ガス価格が適正な地域や燃料電池車の実証運転を奨励する。風力・水力発電資源が豊富で、水素エネルギーの応用シナリオが豊富な地域では、再生可能エネルギーを利用した水素製造・水素化統合ステーションを建設し、実証規模を段階的に拡大し、再現可能で普及可能な経験を形成し、エネルギー水素の炭素削減とコスト削減を加速する。
（著者：北京易維智苑情報コンサルティングセンター未来産業研究チーム）
投稿日時: 2022年9月29日
